ISSN 1517-7076 artigo 11482, pp.1119-1127, 2012
Autor Responsável: Silva, M. A. Data de envio: 18/10/10 Data de aceite: 03/10/12
Efeito da adição do resíduo de rocha ornamental nas
propriedades e microestrutura de porcelana elétrica aluminosa
Effect of the addition of ornamental rock waste on
the properties and microstructure of aluminous electrical porcelain
Silva, M. A., Paes Jr, H. R., Holanda, J. N. F
Universidade Estadual do Norte Fluminense,
Grupo de Materiais Cerâmicos, Av. Alberto Lamego 2000, 28013-602 - Campos dos Goytacazes - RJ. e-mail: myrianketos@hotmail.com ; herval@uenf.br ; holanda@uenf.br
RESUMO
As porcelanas aluminosas são utilizadas como materiais de isoladores elétricos de alta tensão. Este tipo de porcelana se caracteriza por apresentar excelentes propriedades físicas, mecânicas e elétricas. As porcelanas aluminosas são fabricadas usando-se formulação de massa do tipo composta contendo caulim, argila plástica, feldspato e alumina. Na literatura é encontrada uma larga faixa de composições para essas porcelanas. Por outro lado, o setor de rochas ornamentais gera enormes quantidades de resíduos sólidos ricos em compostos fundentes, que podem ser usados como matéria-prima alternativa na fabricação de porcelanas. Neste trabalho foi estudada porcelana elétrica aluminosa incorporada com até 35 % em peso de resíduo de rocha ornamental em substituição do feldspato sódico, que é uma matéria-prima natural. As massas cerâmicas foram preparadas pelo processo via seca. Peças de porcelanas aluminosa em forma de disco foram preparadas por prensagem uniaxial a 50 MPa. As amostras foram sinterizadas em forno tubular a 1350 ºC por 1h. As seguintes propriedades tecnológicas foram avaliadas: retração linear, absorção de água, massa específica aparente, porosidade aparente, resistência à compressão e resistividade elétrica. A microestrutura sinterizada foi acompanhada por microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X. Os resultados experimentais mostram que o resíduo de rocha ornamental pode substituir em até 10 % em peso o feldspato sódico na formulação de porcelana aluminosa. A microestrutura sinterizada foi fortemente influenciada pela adição do resíduo de rocha ornamental.
Palavras-chave: Resíduo de rocha ornamental, porcelana aluminosa, propriedades, microestrutura.
ABSTRACT
1120 by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Experimental results show that ornamental rock waste can replace up to 10 % of sodium feldspar in the formulation of aluminous porcelain. The sintered microstructure was strongly influenced by the addition of ornamental rock waste.
Keywords: Ornamental rock waste, aluminous porcelains, properties, microstructure
1. INTRODUÇÃO
Porcelana é um produto impermeável e translúcido que se distingue de outros produtos cerâmicos, especialmente por sua vitrificação, transparência e resistência mecânica. A porcelana é usada em casas, laboratórios e aplicações industriais. Para uso técnico a porcelana é designada como produtos elétricos, químicos, mecânicos, mercadorias estruturais e térmicas [1].
As porcelanas são produzidas a partir da mistura de matérias-primas naturais compostas de argila, quartzo, caulim e feldspatos [2]. A argila dá a plasticidade necessária para a conformação da mistura cerâmica, o quartzo mantém a estrutura que é formada durante a queima e o feldspato serve como fundente formador de fase líquida [3].
As porcelanas triaxiais formadas por alumina, feldspato e caulim são denominadas de porcelanas aluminosas. Nestas porcelanas, contudo, o quartzo é substituído por alumina. Este tipo de porcelana é utilizado na fabricação de isoladores elétricos de alta tensão [2], por possuírem propriedades dielétricas adequadas e propriedade mecânica superiores as porcelanas que utilizam o quartzo.
O Brasil é um dos maiores produtores e exportadores de rochas ornamentais do mundo. Dentre elas, destaca-se o mármore, o granito propriamente dito, o diorito, e o gnaisse, comercialmente conhecidos por mármore e granito. No processo de extração, os blocos são levados à serraria onde é gerado um resíduo na forma de lama abrasiva. Esta lama é geralmente depositada num pátio, porém a quantidade produzida é significativa. Após secagem, a lama transforma-se em um pó fino não biodegradável. Com isso a indústria de rochas ornamentais gera grandes quantidades de resíduos que terão de ser descartados. Estes resíduos são atrativos para o aproveitamento cerâmico por serem constituídos de SiO2, Al2O3, K2O, Na2O e CaO [4-7]. Estes compostos são normalmente encontrados nas matérias-primas usadas na fabricação de produtos cerâmicos.
A área de cerâmica pode ser a solução tecnológica mais adequada para valorização e inertização definitiva de resíduo sólido de rocha ornamental, sem causar qualquer outro tipo de poluição. Destaca-se ainda que a incorporação de resíduos de rochas ornamentais em massas cerâmicas, além de contribuir para a solução do problema ambiental, pode também contribuir para a redução do custo de energia do processo produtivo [8]. Por outro lado, os materiais fundentes naturais mais utilizados na fabricação de porcelanas são os feldspatos potássico e sódico [9-11]. Assim, o resíduo de rocha ornamental rico em óxidos fundentes é atraente para ser incorporado em produtos de porcelana elétrica [12].
Neste trabalho foi usado um resíduo de rocha ornamental em substituição do feldspato sódico na formulação de uma massa cerâmica para fabricação de porcelana elétrica aluminosa. Ressalta-se a importância do reuso do resíduo de rocha ornamental em virtude da crescente conscientização ambiental da sociedade moderna.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
1121 A composição química do resíduo de rocha ornamental foi determinada via espectrometria de energia dispersiva de raios X. A composição química da argila plástica foi determinada via fluorescência de raios X. As composições químicas do caulim, feldspato sódico e alumina foram fornecidas pelos fabricantes. A perda ao fogo do resíduo de rocha ornamental e argila plástica foi determinada de acordo com a seguinte expressão PF = Ms – Mc / Ms x 100, onde Ms é a massa da amostra seca a 110 ºC e Mc é a massa da amostra calcinada a 1000 ºC durante 1h.
A Tabela 1 apresenta as composições das formulações estudadas neste trabalho. As massas cerâmicas foram formuladas a partir da substituição gradual do feldspato sódico por resíduo de rocha ornamental. As matérias-primas foram moídas a seco e misturadas em um moinho de bolas de laboratório. Em seguida as matérias-primas foram passadas em peneira de malha de 325 mesh (ABNT 45 um). As massas cerâmicas foram misturadas, homogeneizadas e granuladas através do processo via seca. O teor de umidade (massa de umidade/massa seca) foi ajustado para 7 %.
Tabela 1: Composição das massas cerâmicas (% em peso).
MASSA
CERÂMICA CAULIM ARGILA PLÁSTICA ALUMINA
FELDSPATO
SÓDICO RRO
A 20 25 20 35 0
B 20 25 20 25 10
C 20 25 20 15 20
D 20 25 20 5 30
E 20 25 20 0 35
A preparação das peças de porcelana aluminosa foi feita por prensagem uniaxial a 50 MPa, utilizando-se uma matriz de aço com cavidade cilíndrica (φ = 16 mm). Em seguida as peças foram secadas em estufa a 110 oC durante 24 h. As peças secas foram sinterizadas na temperatura de 1350 ºC durante 1 h.
As seguintes propriedades tecnológicas foram determinadas: retração linear, absorção de água, massa específica aparente, porosidade aparente, resistência á tração pelo método de compressão diametral e resistividade elétrica. A microestrutura da superfície de fratura das peças sinterizadas foi observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV marca Shimadzu, modelo SSX-550), utilizando-se uma voltagem de aceleração de elétrons de 15 kV. Análise mineralógica qualitativa das peças sinterizadas foi feita por difração de raios-X (Difratômetro marca Shimadzu, modelo XRD-7000), utilizando-se radiação Cu-Kα.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As composições químicas das matérias-primas são apresentadas na Tabela 2. O resíduo de rocha ornamental é constituído principalmente de SiO2 e Al2O3, mas contém também uma quantidade apreciável de óxidos fundentes (∑ K2O + Na2O + Fe2O3 + CaO + MgO). Quando comparado ao feldspato sódico, observa-se que o resíduo de rocha ornamental contém uma quantidade de óxidos fundentes (14,75 % em peso) superior aquela do feldspato sódico (11,50 % em peso). Isto significa que o resíduo de rocha ornamental utilizado neste trabalho é altamente atrativo para substituir o material fundente natural (feldspato sódico) na formulação da massa cerâmica para porcelana elétrica aluminosa. A argila plástica usada apresenta composição química típica esperada, sendo rica em SiO2, Al2O3 e Fe2O3 com quantidades menores de óxidos de Ti, Ca, K e Mn. O caulim e alumina apresentam alta pureza e são adequados para uso na fabricação de porcelana elétrica.
1122 quantidade de resíduo apresentaram menor retração linear. Isto é um efeito positivo, pois contribui para uma melhor estabilidade dimensional das peças de porcelana elétrica. A razão para isto está relacionada à presença de quartzo livre no resíduo de resíduo de rocha ornamental. Os valores de retração linear obtidos na faixa de 10,96 -11,49 % estão dentro da faixa para produção industrial de porcelanas elétricas.
Tabela 2: Composição química (% em peso) das matérias-primas.
MATÉRIAS PRIMAS SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O MnO P.F
Caulim 49,7 33,74 0,22 <0,01 0,30 0,061 1,97 0,52 - 14,01
Alumina 0,027 99,7 0,022 _ _ _ _ 0,12 _ 0,05
Albita 69,55 18,82 0,14 0,017 0,17 0,09 1,47 9,63 - 0,32
Resíduo 66,43 17,26 3,70 0,83 2,23 0,32 7,49 1,01 0,08 0,65
Argila 46,74 36,09 9,68 1,71 0,50 - 2,94 _ 0,07 10,95 PF = perda de fogo
10 10,2 10,4 10,6 10,8 11 11,2 11,4 11,6 11,8
A B C D E
Amostras
R
et
raç
ão
L
in
ea
r
(%
)
Figura 1: Retração linear das amostras com até 35 % em peso de RRO.
1123 0
0,5 1 1,5 2 2,5 3
A B C D E
Amostras
A
bs
or
çã
o
de
À
gua
(
%
)
Figura 2: Absorção de água das amostras com até 35 % em peso de RRO.
Na Figura 3 são apresentados os valores de massa específica aparente das peças cerâmicas sinterizadas a 1350 ºC. Os resultados mostram que a adição do resíduo influenciou o comportamento de densificação das peças cerâmicas. Para adições de até 20 % em peso de RRO a massa específica aparente das peças cerâmicas permaneceu constante (2,53 g/cm3). Para adições acima de 20 % em peso a massa específica aparente tende a diminuir. Este efeito se deve fundamentalmente ao inchamento das peças devido à formação de porosidade fechada na estrutura da peça cerâmica. Os valores de massa específica aparente das peças sinterizadas na faixa de 2,46 – 2,53 g/cm3 estão dentro da faixa adequada para produção industrial de porcelana elétrica aluminosa.
2,42 2,44 2,46 2,48 2,5 2,52 2,54
A B C D E
Amostras
M
assa E
sp
ecí
fi
ca A
p
aren
te
(g
/c
m
³)
Figura 3: Massa específica aparente das amostras com até 35 % em peso de RRO.
1124 0
0,5 1 1,5 2 2,5
A B C D E
Amostras
P
o
ro
si
d
ad
e A
p
aren
te
(
%
)
Figura 4: Porosidade aparente das amostras com até 35 % em peso de RRO.
Na Figura 5 são apresentados os valores de resistência à tração pelo método de compressão diametral das peças cerâmicas incorporadas com até 35 % em peso de RRO sinterizadas a 1350 ºC. Pode-se observar que, em geral, tem-se um leve aumento dos valores de resistência à tração para as peças contendo resíduo.
0 5 10 15 20 25
A B C D E
Amostras
R
esi
st
ên
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a a
T
ração
p
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o
m
ét
odo de
c
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essão
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ra
l (
M
P
a)
Figura 5: Resistência à tração das amostras com até 35 % em peso de RRO
1125 0
5 10 15 20 25
A B C D E
Amostras
R
esi
st
iv
id
ad
e E
lét
ri
ca
(
cm
x10¹
º)
Figura 6: Resistividade elétrica das amostras com até 35 % em peso de RRO.
Nas Figuras 7 (a)-(c) são apresentadas uma série de micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura via imagens de elétrons secundários das superfícies de fratura das amostras sinterizadas: a) amostra A (massa com 0 % em peso de RRO); b) amostra C (com 20 % em peso de RRO); e c) amostra E (com 35 % em peso de RRO). O efeito da adição do resíduo é visível na estrutura da peça sinterizada, o qual resulta numa estrutura mais rugosa e porosidade fechada. Os poros fechados são tipicamente poros isolados de morfologia esférica ou arredondados na matriz cerâmica vitrificada.
(a) (c) (e)
Figura 7: Micrografias da superfície da fraturada das amostras A, C e E.
Nas Figuras 8-10 são apresentados os difratogramas de raios X para as amostras de porcelana elétrica A (com 0 % em peso de RRO), C (com 20 % em peso de RRO) e E (com 35 % em peso de RRO) sinterizadas a 1350 ºC.
1126
10 20 30 40 50 60 70
0 100 200 300 400 500 600 700 800 A A A A A A A AQ Q M M M M M M M In te ns idad e ( u. a)
Ângulo 2
Figura 8: Difratograma de raios X da amostra A: Q - Quartzo; A - lumina; M – Mullita.
10 20 30 40 50 60 70
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Q Q A A A A A A A A M M M M M M M Int ens idad e ( u. a)
Ângulo 2
Figura 9: Difratograma de raios X da amostra C: Q – Quartzo; A - Alumina; M – Mullita.
10 20 30 40 50 60 70
0 200 400 600 800 1000 A A A A A A Q Q Q A A Q M M M M M M M In te nsi dad e ( u. a)
Ângulo 2
Figura 10: Difratograma de raios X da amostra E: Q – Quartzo; A - Alumina; M – Mullita.
4. CONCLUSÕES
1127 O aumento gradativo do resíduo na massa cerâmica provocou alterações nas propriedades física e mecânica e também na microestrutura das peças cerâmicas. Os resultados indicam que se pode obter porcelanas aluminosas de alta qualidade (AA ~ 0,0 %) para adições de até 10 % em peso do resíduo de rocha ornamental utilizado.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores deste trabalho agradecem ao CNPq, FAPERJ e CAPES pelo apoio financeiro e, também, a ALCOA pelo fornecimento de alumina.
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